基于三維掃描的智能感知與模型重建在激光小鎮(zhèn)鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)建筑通常采用工廠制作構(gòu)件、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行安裝的施工方案。盡管鋼構(gòu)件在工廠中進(jìn)行預(yù)制時(shí)按照?qǐng)D紙進(jìn)行加工，同時(shí)也需要滿足出廠檢驗(yàn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但仍會(huì)不可避免地存在制造誤差。同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中并沒有考慮到施工過程中發(fā)生的施工誤差，可能發(fā)生預(yù)制的鋼構(gòu)件無法與已施工的結(jié)構(gòu)尺寸相匹配的情況，造成構(gòu)件無法成功安裝。因此，當(dāng)鋼構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)后直接進(jìn)行安裝施工，在施工中有可能面臨受誤差影響而返工修理構(gòu)件的風(fēng)險(xiǎn)。在施工中因構(gòu)件誤差無法完成安裝時(shí)，需要拆除構(gòu)件已安裝的部分并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行修理，以免影響施工質(zhì)量。三維掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，通過快速獲取被掃描物體表面的大量密集點(diǎn)的坐標(biāo)，從而得到被掃描物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而將物理實(shí)體的幾何信息映射到虛擬空間中。三維掃描技術(shù)不但應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件模具尺寸檢查、幕墻結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量檢查等，還大量應(yīng)用于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制，如對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加工誤差的分析和大型鋼構(gòu)件的拼裝模擬。為提前發(fā)現(xiàn)構(gòu)件誤差，保證構(gòu)件安裝質(zhì)量，利用三維掃描技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)安裝施工前檢查構(gòu)件的制造精度，能提前發(fā)現(xiàn)影響鋼構(gòu)件正常連接的質(zhì)量問題。將基于三維掃描的智能感知與模型重建技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制中，在某鋼結(jié)構(gòu)建筑中對(duì)鋼構(gòu)件及其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維掃描和模型重建，以便于提前發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的幾何誤差，減少構(gòu)件幾何誤差對(duì)施工質(zhì)量影響。1基于三維掃描的智能感知與模型重建的原理和流程1.1?應(yīng)用原理三維掃描技術(shù)能夠快速獲取構(gòu)件的真實(shí)尺寸信息。與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，三維掃描技術(shù)在空間中測(cè)量點(diǎn)的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他測(cè)量技術(shù)，同時(shí)不需要接觸被測(cè)量物體表面，能實(shí)現(xiàn)非接觸式的快速測(cè)量，具有非接觸、快速、掃描范圍廣、自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)采集密度高等特點(diǎn)，特別適用于形狀復(fù)雜不規(guī)則的物體，能夠大幅減少測(cè)量所需的工作量。三維掃描儀一般利用光學(xué)三維測(cè)量或激光測(cè)距技術(shù)，獲取物體表面大量點(diǎn)的坐標(biāo)并進(jìn)行記錄，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)中重建被測(cè)物體的三維模型。光學(xué)三維掃描儀一般具有一個(gè)光源和多個(gè)攝像頭。在掃描過程中光源將特定的白光圖案投影到被掃描對(duì)象上，并通過多個(gè)成特定角度的攝像頭拍攝被掃描對(duì)象上的白光圖案。如果被掃描對(duì)象的表面不是平面，使用光源投射出的白光圖案就會(huì)發(fā)生變形，掃描軟件可根據(jù)攝像頭拍攝到的白光圖案發(fā)生的變形計(jì)算出三維幾何信息，進(jìn)而獲取被掃描物體表面的點(diǎn)的坐標(biāo)，形成被掃描物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光三維掃描儀則使用了激光測(cè)距原理。向物體發(fā)射激光在經(jīng)過一段距離后，能集中照射在一個(gè)點(diǎn)上，通過激光測(cè)距及角度測(cè)量方法可測(cè)量物體表面被激光照射的點(diǎn)和儀器間的距離和角度。激光三維掃描儀能在短時(shí)間內(nèi)向大量不同位置發(fā)射激光，從而獲取大量物體表面點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維掃描技術(shù)應(yīng)用的核心是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用。點(diǎn)云是離散分布在三維空間中點(diǎn)的集合。三維掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)真實(shí)地反映了被掃描物體的幾何信息，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依托能夠逆向建立與物理實(shí)體幾乎完全一致的三維模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際構(gòu)件的模型重建。在逆向建立的三維立體模型中能夠獲取物體上關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，通過對(duì)比模型中相關(guān)點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系，檢查安裝時(shí)需要互相連接的各關(guān)鍵部位間的尺寸是否滿足連接要求。常見的BIM軟件支持將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM文件中，進(jìn)行逆向建模、尺寸誤差檢測(cè)等。1.2?應(yīng)用流程基于三維掃描的智能感知與模型重建技術(shù)主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理等過程（圖1）。圖1?工作流程點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集階段，使用三維掃描儀對(duì)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需采集鋼構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)連接件等的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，特別是鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)部位，由于該部位通常具有螺栓孔、焊縫、肋板等細(xì)小構(gòu)件或孔洞，需要進(jìn)行重點(diǎn)采集。在數(shù)據(jù)采集前，需對(duì)三維掃描儀進(jìn)行調(diào)試，在構(gòu)件表面粘貼定位標(biāo)記。一次采集結(jié)束后，將獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文件形式供后期使用。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集后，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)多以文本文件的形式存儲(chǔ)，其中記錄了掃描儀采集的全部點(diǎn)的坐標(biāo)信息。原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般以.txt等文本文件格式或.las等點(diǎn)云數(shù)據(jù)專用格式進(jìn)行存儲(chǔ)，供其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行查看和處理。通過專用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件能夠利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建立構(gòu)件的三維實(shí)體模型文件。在逆向建立的構(gòu)件三維模型中，包含質(zhì)量控制所需的構(gòu)件尺寸信息和構(gòu)件安裝所需的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。對(duì)于多個(gè)需要互相連接的構(gòu)件，通過提取連接后處于同一位置或具有一定關(guān)系的點(diǎn)的坐標(biāo)，能夠獲取其相對(duì)位置關(guān)系，通過相對(duì)位置關(guān)系判斷構(gòu)件是否存在影響裝配的尺寸偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝質(zhì)量的把控。2?工程概述激光小鎮(zhèn)孵化器項(xiàng)目位于江蘇省宿遷市宿城經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，包含多棟鋼結(jié)構(gòu)塔樓，總建筑面積152?811.62?m2，總用地面積695?121?m2。其中，1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)樓為高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，其余為框架結(jié)構(gòu)建筑。1號(hào)樓地下1層，地上10層；2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)樓地下1層，地上5層，其中2號(hào)、6號(hào)、9號(hào)、10號(hào)樓附屬樓地下1層，地上2層；4號(hào)、5號(hào)樓地下1層，地上12層；11號(hào)地下1層，地上3層；12號(hào)地下1層，地上2層。垃圾站地上1層。激光小鎮(zhèn)孵化器項(xiàng)目1號(hào)樓如圖2所示。圖2?激光小鎮(zhèn)孵化器項(xiàng)目1號(hào)樓1號(hào)樓由2個(gè)10層高的塔樓和2個(gè)塔樓間的大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊組成，連廊跨度為26?m。鋼結(jié)構(gòu)連廊采用高空整體連接施工安裝，施工安全防護(hù)難度大，需提前編制專項(xiàng)施工方案、應(yīng)急預(yù)案，按方案組織施工?；谌S掃描的智能感知與模型重建技術(shù)應(yīng)用于激光小鎮(zhèn)孵化器項(xiàng)目1號(hào)樓鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制中，通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及相關(guān)連接件的掃描逆向建立三維模型，測(cè)量模型關(guān)鍵點(diǎn)間的相對(duì)位置，以檢查構(gòu)件是否滿足質(zhì)量要求以及能否成功拼裝。3?三維掃描實(shí)施過程3.1?設(shè)備選型掃描過程采用光學(xué)手持式三維掃描儀，該三維掃描儀采用光學(xué)原理，使用LED燈將特定的白光圖案投影到被掃描對(duì)象上，并通過兩個(gè)成特定角度的攝像頭拍攝被掃描對(duì)象上的白光圖案，掃描軟件可根據(jù)攝像頭拍攝到的白光圖案發(fā)生變形，計(jì)算出被掃描物體的三維幾何信息，進(jìn)而獲取被掃描物體表面點(diǎn)的坐標(biāo)，最終形成被掃描物體的三維點(diǎn)云模型。該掃描儀掃描范圍為0.15~4?m，其精度最高為0.1?mm，分辨率為0.1?mm。在手持掃描過程中，設(shè)備不斷拍攝被掃描構(gòu)件表面圖像，以圖像特征或事先粘貼的標(biāo)記點(diǎn)為圖像拼接依據(jù)，利用圖像識(shí)別等方法對(duì)掃描過程中掃描儀移動(dòng)進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)不同部位點(diǎn)云拼接，獲取連續(xù)構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大尺寸物體掃描。在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)同時(shí)，掃描儀同步拍照記錄物體表面圖像，以圖片形式存儲(chǔ)物體表面圖像，供后期處理點(diǎn)云時(shí)在生成三維模型表面貼圖，以還原物體表面真實(shí)圖像特征。3.2?現(xiàn)場(chǎng)掃描使用三維掃描儀的手持掃描模式掃描構(gòu)件節(jié)點(diǎn)板。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大，且構(gòu)件表面各部分較為一致，無明顯圖像特征，三維掃描儀在掃描過程中無法根據(jù)圖像特征判斷儀器的移動(dòng)方向和距離。使用標(biāo)記點(diǎn)人為在構(gòu)件表面制造圖像特征使三維掃描儀在不同位置拍攝到的圖像均不同，以便于三維掃描儀根據(jù)所拍攝到的圖像中標(biāo)記點(diǎn)的位置變化計(jì)算出儀器與構(gòu)件的相對(duì)移動(dòng)，進(jìn)而建立不同部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。標(biāo)記點(diǎn)是一種具有較高反射對(duì)比特性的圓形貼紙，其中心為白色，四周為黑色，當(dāng)三維掃描儀的光源照射在標(biāo)記點(diǎn)上時(shí)，點(diǎn)的中心白色部分強(qiáng)烈反光，周圍黑色部位反光很少，便于儀器識(shí)別和確認(rèn)標(biāo)記點(diǎn)中心位置，進(jìn)而拼接儀器在不同位置時(shí)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)板上無規(guī)律地粘貼大量標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)間距離一般需使相鄰不同位置獲取圖像中有足夠數(shù)量共同標(biāo)記點(diǎn)，根據(jù)儀器性能，在構(gòu)件表面標(biāo)記點(diǎn)間距不大于10?cm時(shí)，可在同一幅圖像中識(shí)別到足夠多標(biāo)記點(diǎn)用于定位。標(biāo)記點(diǎn)粘貼需錯(cuò)落有致，避免出現(xiàn)等間距直線、等腰三角形等有規(guī)律圖形，造成識(shí)別錯(cuò)誤。掃描構(gòu)件前，先掃描構(gòu)件表面粘貼標(biāo)記的數(shù)據(jù)，使用手持式三維掃描儀標(biāo)記點(diǎn)掃描模式對(duì)構(gòu)件進(jìn)行掃描，識(shí)別并記錄標(biāo)記點(diǎn)粘貼位置的坐標(biāo)。完成標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)記錄后，使用手持式三維掃描儀手持掃描模式對(duì)構(gòu)件需掃描的區(qū)域進(jìn)行完整掃描，儀器在獲取構(gòu)件表面三維點(diǎn)云信息的同時(shí)識(shí)別標(biāo)記點(diǎn)，并根據(jù)前期獲取的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前采集區(qū)域坐標(biāo)，與其他區(qū)域的點(diǎn)云信息進(jìn)行自動(dòng)拼接。掃描時(shí)計(jì)算機(jī)軟件上同步顯示識(shí)別到的點(diǎn)云圖像，以點(diǎn)云的顏色代表跟蹤掃描成功與否的狀態(tài)信息，掃描時(shí)通過點(diǎn)云圖像確定掃描儀的移動(dòng)方向。構(gòu)件邊角位置、螺栓孔附近等邊緣位置不易被儀器完整識(shí)別，須反復(fù)進(jìn)行掃描，獲取完整的點(diǎn)云。掃描形成的構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)在軟件中進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，刪除多余部分后以文件形式導(dǎo)出存儲(chǔ)。掃描軟件能夠以文本形式存儲(chǔ)點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)，形成的文本文件中每一行為一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和顏色信息，所有點(diǎn)的信息均儲(chǔ)存于同一個(gè)文本文件內(nèi)，可以由其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理?？蓪Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維表面模型，便于在通用三維模型處理軟件中打開。3.3?數(shù)據(jù)處理原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成的.txt文件能導(dǎo)入Recap軟件生成.rcp文件重建鋼構(gòu)件三維模型，通過插入點(diǎn)云方式導(dǎo)入Revit軟件中。在Recap軟件中，能夠捕捉點(diǎn)云模型中各部位關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)間相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量。利用測(cè)量距離方式檢測(cè)螺栓孔間距、螺栓孔直徑、節(jié)點(diǎn)板尺寸等，檢查其尺寸誤差是否在允許范圍內(nèi)。將節(jié)點(diǎn)板與構(gòu)件端部尺寸及螺栓尺寸比對(duì)，在軟件中嘗試拼裝各構(gòu)件三維模型，通過檢查模型間是否存在碰撞，判斷各構(gòu)件間有無尺寸沖突。4?結(jié)論針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑施工因構(gòu)件誤差引起返工修理構(gòu)件的問題，使用基于三維掃描智能感知與模型重建技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)